【焦点】多孔结构医疗3D打印 l 计算机辅助空间结构节点智能优化设计与3D打印… l 上海交大等

根据3D科学谷,多孔材料具有广泛的应用,例如振动控制、减震、隔热、增加热交换效率等等。然而,当前的目标应用集中在轻质结构和耐撞性应用,特别是它们的高能量刚度、高能量强度和能量吸收特性。

根据3D科学谷的市场观察,塑料多孔结构的工业级应用方面,用反应注射成型制得的玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料,已用作飞机、汽车、计算机等的结构部件;而用空心玻璃微珠填充聚苯并咪唑制得的泡沫塑料,质轻而耐高温,已用于航天器中。此外,高性能化已成为泡沫塑料研究的新方向和热点。高性能泡沫塑料可以作为承载的结构材料在航空、航天、交通运输等领域使用, 如卫星太阳能电池的骨架、火箭前端的整流罩、无人飞机的垂直尾翼和巡航导弹的弹体弹翼、舰艇的大型雷达罩等。

在金属多孔结构方面,虽然在减震能力上,金属点阵结构并不像塑料点阵结构那样具备优势,然而复杂的金属点阵结构可以提供卓越的产品性能-无论是在效率和功能方面。并且为组件轻量化打开了广阔的设计空间,还可以提高传热、能量吸收、绝缘和提高连接性能。

本期,通过节选国内在多孔结构医疗相关增材制造领域的实践与研究,3D科学谷与谷友一起来领略快速发展的过孔结构3D打印。

Valley_多孔自然© 3D科学谷白皮书

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block 计算机辅助空间结构节点
     智能优化设计与3D打印

Valley_点阵建模© 3D科学谷白皮书

左文康、陈满泰、程斌、赵金城

1. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2. 上海交通大学海洋工程国家重点实验室3. 上海交通大学上海市公共建筑和基础设施数字化运维重点实验室

摘要:为解决空间结构节点拓扑优化与3D打印设计制造方法参数化程度低的问题,提出了一套完整的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)和计算机辅助制造(CAM)工作流,用于空间结构节点智能化拓扑优化设计、数值分析和3D打印制造。

首先基于参数化平台Grasshopper建立空间结构节点的参数化一体化拓扑优化CAD程序,自动生成优化节点模型;利用Abaqus/CAE平台对优化节点进行有限元结构分析;通过Fusion 360的CAM模块完成3D打印设计仿真和生成制造文件。结合单层网壳和双层网架结构的节点实例,验证了提出的工作流的适用性。

分析结果表明:智能生成的节点较传统形式节点更美观独特且具有轻质高强的特性,在相同受力工况下,优化节点的体积仅为传统空心球节点的40%~60%,其柔度、峰值位移和峰值应力等各项力学性能指标即可优于空心球节点;采用316L不锈钢材料,基于选区激光熔融3D打印工艺可实现该高性能节点的精密制造。

block 3D打印不同骨密度的
     椎间融合器优化设计

Whitepaper_Orthopedic Implant_17© 3D科学谷白皮书

刘伟、赵京生、王祎霖、李素丽

1. 陕西国防工业职业技术学院智能制造学院2. 航天高端制造陕西省高校工程研究中心3. 西安科技大学机械工程学院4. 西安泰辉机械科技有限公司

摘要:依据颈椎的原始数据,通过医学图像处理和逆向建模操作分别重建了颈椎C6段和C7段的模型,并将其装配形成颈椎C6~C7节段,得到椎间融合器基本数据。依据基本数据分别建立了矩形多孔、梯度多孔、八面体多孔椎间融合器模型。对融合器施加成年男性颈部所受到的最大力,通过有限元分析求解应力、应变以及最大变形量。

计算设计的椎间融合器的弹性模量下降情况,对不同孔隙率的矩形多孔结构椎间融合器进行分析,并优化设计。结果可知,3种结构的融合器均有不同程度的弹性模量下降,而矩形结构椎间融合器的孔隙率在60%左右时,弹性模量下降得最多。

block 基于3D打印工艺的
     多孔植入物的设计制造及应用

Valley_植入物© 3D科学谷白皮书

吴言、王聿栋、刘梦星、石杜芳、胡楠、冯伟

1. 中国科学院深圳先进技术研究院2. 国家高性能医疗器械创新中心 3. 深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司4. 武汉迈瑞科技有限公司

摘要:通过有限元模拟不同类型多孔结构,进行分析并筛选出适用骨科医疗器械的多孔结构,并用3D打印技术对该多孔结构(泰森多边形结构)进行加工制造。

该文对3D打印的泰森多边形多孔结构的力学性能(拉伸、压缩和弯曲)和骨长入性能进行了系统研究。力学测试结果表明,3D打印泰森多边形结构的拉伸、压缩和弯曲性能明显优于人体皮质骨,弹性模量与人体皮质骨相当。动物实验结果表明,植入比格犬后3个月,多孔结构内有明显的骨长入。该研究为多孔结构在骨植入医疗器械上的应用提供了一定的理论依据。

block 3D打印个性化
     矫形器制作技术进展

阮贝特、颜威、马泓泓、奚小冰

上海交通大学医学院附属瑞金医院

Whitepaper_Rehabilitation3_15© 3D科学谷白皮书

摘要:逆向工程(reverse engineering, RE)是个性化矫形器制作的重要部分,根据测量数据重构患处3D模型,通过计算机辅助设计(computer aided design, CAD)方法设计矫形器,再利用快速成型技术(rapid prototyping, RP)制作。

3D打印个性化外固定矫形器目前是“医工”交叉学科研究的热门领域,具有高贴合度、轻便透气、定制结构等优点,有助于功能恢复。近年来,对于个性化矫形器制造流程的效率、成本及舒适度的研究逐年增加,本文侧重于RE方法,按照制造流程从光学扫描、CAD建模、镂空最后到3D打印成型的相关技术优化研究进展进行概述。frontier-s

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